CN101214151A - 利用呼出气体co2分压监测估算动脉血co2分压的方法和装置 - Google Patents

利用呼出气体co2分压监测估算动脉血co2分压的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法和装置，属于临床呼吸监测技术领域，其技术要点包括利用二氧化碳分析监测仪对呼气流速、时间和二氧化碳分压PaCO2进行实时采集，并输入计算机；通过对输入的数据进行处理，当瞬时流速为峰流速的(22.25±0.08)％或流速/时间曲线的瞬时斜率为0.13±0.19时，(a)并且其相对应的CO2分压相差在±5％范围内时，对应的CO2分压的平均值与动脉血CO2分压基本相同；(b)其对应的CO2分压相差超过±5％范围内时，则对CO2分压/时间曲线进行数学模型拟合，估算出相应的动脉血CO2分压。本发明可用于临床无创监测COPD患者，特别是重度COPD患者的PaCO2。

Description

利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种临床呼吸监测技术，更具体地说，它涉及一种利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法，本发明还涉及实现上述方法的装置。
背景技术
慢性阻塞性肺病(COPD)是一种具有气流受限特征的疾病，气流受限不完全可逆、呈进行性发展，与肺部对有害气体或有害颗粒的异常炎症反应有关。随着COPD的进展，外周气道阻塞、肺实质破坏及肺血管的异常等减少了肺气体交换容量，产生低氧血症，以后可出现高呼吸型酸血症。血气分析检查对COPD急发及晚期病人十分重要。但其操作的有创性不但增加了病人的痛苦、医护人员的工作量，而且其结果欠缺快速性和直观性，并且不能实现适时动态监测。
无创的血氧饱和度监测等技术已广泛应用于临床，大大地方便了临床医疗的工作。呼气末二氧化碳分压(end-tidal CO2 pressure，PETCO2)作为重要的无创呼吸监护指标亦已在临床中广泛应用。呼气末二氧化碳分压通常是指潮气呼气末呼出气的二氧化碳分压。这部分气体主要来源于肺泡，所以PETCO2主要反映所有通气的肺泡气二氧化碳分压(PACO2)的平均值。组织细胞在代谢过程中产生的二氧化碳(CO2)由体循环静脉血经肺动脉弥散到肺泡气，而后随呼气排出。其弥散方向取决于二氧化碳分压(PCO2)的高低。正常生理时，组织细胞内PCO2的最高，一般不致＞10.9～13.3kPa，混合静脉血和肺动脉血PCO2的一般＜8.0kPa，后者在与肺泡气弥散平衡的历程中，最后PACO2和动脉血二氧化碳分压(Arterial CO2 Pressure，PaCO2)常常几乎相等。每个肺泡的PACO2不一样，血流少，通气多的PACO2较低；而通气少，血流多的PACO2相应较高。PaCO2反映有血流灌注的PACO2平均值。正常人，肺泡气与肺毛细血管的血液的PCO2达到充分平衡，所以PETCO2与动脉血二氧化碳分压(PaCO2)非常接近，PETCO2≈PACO2≈PaCO2，为5.1±0.2kPa。许多学者研究表明，心肺功能正常的病人，只要不产生肺泡死腔增大，血流动力学保持稳定，则PETCO2与PaCO2密切相关，临床以PETCO2来估计PaCO2，从而达到无创监测PaCO2的目的。但在病理状态下，肺泡通气与肺血流(V/Q)失调及分流(Qs/Qt)的变化，PETCO2就不能代表PaCO2。影响气体弥散的各项因素，包括无效腔量/潮气量(VD/VT)、通气/血流比(V/Q)、右到左分流(Qs/Qt)以及肺顺应性等，均影响PACO2与PaCO2之间的梯度(A-aDCO2)。在正常人，呼出气CO2曲线可分为I、II、III三个部分(参阅图16中所示)：第一部分是吸气末解剖死腔(包括检测仪器的机械死腔)内的气体，不含的CO2，组成呼出气初期二氧化碳分压(PaCO2)接近0的部分；第二部分是死腔与肺泡气的混和气体，此时PaCO2急剧上升，形成陡直升高的斜坡；第三部分是肺泡CO2，其变化甚小，PCO2形成平段，正常人基本与PaCO2相重合。慢性阻塞性肺病(COPD)患者第三部分PCO2不形成平段，(参阅图17中所示，为慢性阻塞性肺病合并II型呼衰患者)，同样分为I、II、III三个部分，由图17可见，在有呼吸衰竭的COPD病人中，PETCO2往往低估PaCO2水平，影响其临床上的应用。在我们的实验中发现：COPD患者，特别是有CO2潴留的COPD患者，其呼出气PCO2随着呼气时间的延长而逐渐增加，早期呼出气PCO2低于PaCO2，而延长呼气后期呼出气PCO2有可能超过PaCO2。这与我们的预实验一致。
随着计算机技术的不断发展，本申请的发明人利用二氧化碳分析仪监测呼吸周期中呼气末二氧化碳分压变化，记录二氧化碳图形(Capnography)，显示呼气末二氧化碳分压，并通过Origin、Excel等软件对所测二氧化碳分压/时间曲线进行数据分析，曲线拟合，建立数学模型，探讨平静呼气和延长呼气的二氧化碳分压/时间曲线的相似性及其分别与PaCO2的关系成为可能。并制造出简单便携的更能反映真正PaCO2，特别是能真正反映COPD病人的呼气末二氧化碳监测仪器，目前国内外文献无类似实验的报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种无创、可动态监测估算动脉血CO2分压，特别对有II型呼吸衰竭的COPD病人的无创性疾病检测的一种利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种实现上述方法的装置。
本发明的前一目的是这样实现的：一种利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法，包括下述步骤：(1)利用二氧化碳分析监测仪对呼气流速、时间和二氧化碳分压PCO2进行实时采集，并输入计算机；(2)计算机对输入的数据进行处理，并分别记录流速/时间曲线、PCO2/时间曲线、峰流速和流速/时间曲线的瞬时斜率；(3)当瞬时流速为峰流速的(22.25±0.08)％或流速/时间曲线的瞬时斜率为0.13±0.19时，(a)该瞬时流速所对应的CO2分压和该瞬时斜率所对应的CO2分压相差在±5％范围内时，瞬时流速所对应的CO2分压和瞬时斜率所对应的CO2分压的平均值，即基本与动脉血CO2分压相同；(b)该瞬时流速所对应的CO2分压和该瞬时斜率所对应的CO2分压相差超过±5％范围内时，则对CO2分压/时间曲线进行数学模型拟合，估算出相应的动脉血CO2分压。
上述的利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法中，步骤(1)可采用平静呼气或者延长呼气法。
上述利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法中，步骤(3)(b)中所述的PCO2/时间曲线拟合公式为：y＝y0+A1×[1-e(-x/t1)]+A2×[1-e(-x/t2)]，拟合时间x为5秒，式中y为PCO2，单位：kPa；A1、t1、A2、t2均为常数，y0为平静呼气末的PCO2。
本发明的后一目的是这样实现的：一种利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法的装置，包括与计算机连接的二氧化碳分析监测仪；计算机有中心处理器、存储器和数据存储器，二氧化碳分析监测仪与计算机的数据存储器连接，数据存储器与计算机的中心处理器连接，其中：所述计算机的存储器设有二氧化碳分析监测仪输入的数据存储空间B、峰流速计算软件存储空间E、峰流速存储空间F、瞬时流速判定条件存储空间G、瞬时流速和随后四点的平均流速计算软件存储空间H、依据瞬时流速判定求取的平均流速数值存储空间I、瞬时斜率计算软件存储空间J、瞬时斜率判定条件存储空间K、依据瞬时斜率判定求取的平均流速数值存储空间L及依据瞬时流速和依据瞬时斜率求取的平均流速值判定条件存储区间M。
上述利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法的装置也可以这样实现：包括与计算机连接的二氧化碳分析监测仪；计算机有中心处理器、存储器和数据存储器，二氧化碳分析监测仪与计算机的数据存储器连接，数据存储器与计算机的中心处理器连接，其中：所述计算机的存储器设有二氧化碳分析监测仪输入的PCO2/时间数据存储空间N、瞬时斜率计算公式存储空间O、瞬时斜率值存储空间P、瞬时斜率判定条件存储空间Q、瞬时斜率测量点序列号存储空间R、序列号存储空间S、瞬时斜率判定条件存储空间T、瞬时斜率对应的PCO2及其随后四点的平均值计算公式存储空间U、二氧化碳-时间曲线拟合公式存储空间V及时间存储空间W。
上利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法的装置还可以这样实现：包括与计算机连接的二氧化碳分析监测仪；计算机有中心处理器、存储器和数据存储器，二氧化碳分析监测仪与计算机的数据存储器连接，数据存储器与计算机的中心处理器连接，其特征在于：所述计算机的存储器设有二氧化碳分析监测仪输入的数据存储空间B、峰流速计算软件存储空间E、峰流速存储空间F、瞬时流速判定条件存储空间G、瞬时流速和随后四点的平均流速计算软件存储空间H、依据瞬时流速判定求取的平均流速数值存储空间I、瞬时斜率计算软件存储空间J、瞬时斜率判定条件存储空间K、依据瞬时斜率判定求取的平均流速数值存储空间L、依据瞬时流速和依据瞬时斜率求取的平均流速值判定条件存储区间M和二氧化碳分析监测仪输入的PCO2/时间数据存储空间N、瞬时斜率计算公式存储空间O、瞬时斜率值存储空间P、瞬时斜率判定条件存储空间Q、瞬时斜率测量点序列号存储空间R、序列号存储空间S、瞬时斜率判定条件存储空间T、瞬时斜率对应的PCO2及其随后四点的平均值计算公式存储空间U、二氧化碳-时间曲线拟合公式存储空间V及时间存储空间W。
本发明的上述第一种装置对于能够做延长呼气的人，效果好，但是不适宜用于不能做延长呼气的人；第二种装置适用于不能做延长呼气的人。第三种装置将上述两种装置联合起来形成的，既对能够做延长呼气的人，效果好，又能适用于不能做延长呼气的人。
本发明与现有技术相比，具有下述优点：
(1)本发明的方法是利用对呼气体的流速、PCO2的适时监测，通过计算机处理，当呼出气流速下降到峰流速(PEF)的(22.25±0.08)％的时，或流速斜率下降到0.13±0.19时，在PCO2/时间曲线的相应时间点上可得到PETCO2，实现PaCO2的无创动态连续监测。
(2)本发明的方法可为临床COPD病人中通过延长呼气法测定PETCO2，可预测PaCO2和反映其动态变化，用于无创监测COPD患者的PaCO2动态变化，具有重要的临床应用价值。
(3)本发明还可以通过对二氧化碳分压/时间曲线的拟合分析，对COPD病人中，平静呼气与延长呼气法测定PETCO2一样，可较准确地估计PaCO2，对于无创监测COPD患者，特别是重度COPD患者的PaCO2，更具有重要的临床应用价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图3是本发明实施例3的结构示意图；
图4本发明的运行逻辑方框图；
图5是正常人平静与延长呼气CO2浓度监测曲线的比较图；
图6是COPD患者平静与延长呼气CO2浓度监测曲线的比较图；
图7是COPD实验组治疗前PETCO2(Q)、PETCO2(P)和PaCO2的比较图；
图8是COPD实验组治疗前PaCO2和PETCO2(P)治疗相关曲线图；
图9是COPD实验组治疗前PETCO2(Q)、PETCO2(P)和PaCO2差值的比较图；
图10是COPD实验组治疗前PETCO2(P))和PETCO2(Q)变异系数的比较图；
图11是COPD实验组PaCO2和PETCO2治疗前后差值的相关曲线图；
图12是二氧化碳分压/时间曲线及其拟合曲线图(PaCO2＝7.99kPa)；
图13是PaCO2和外推时间时Yp、Yq的比较图；
图14是PaCO2和外推斜率时Yp、Yq的比较图；
图15是本发明流速/时间曲线、流速瞬间斜率/时间曲线和二氧化碳分压/时间曲线图；
图16是正常人呼气的PCO2/时间曲线图；
图17是慢性阻塞性肺病合并II型呼衰患者呼气的PCO2/时间曲线图。
具体实施方式
实施例1
参阅图1所示，本发明的一种利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法的装置，包括与计算机PC连接的二氧化碳分析监测仪1；计算机PC有中心处理器A、存储器DISK和数据存储器Z，二氧化碳分析监测仪1与计算机PC的数据存储器Z连接，数据存储器Z与计算机PC的中心处理器A连接，计算机PC的存储器DISK设有二氧化碳分析监测仪1输入的数据存储空间B、峰流速计算软件存储空间E、峰流速存储空间F、瞬时流速判定条件存储空间G、瞬时流速和随后四点的平均流速计算软件存储空间H、依据瞬时流速判定求取的平均流速数值存储空间I、瞬时斜率计算软件存储空间J、瞬时斜率判定条件存储空间K、依据瞬时斜率判定求取的平均流速数值存储空间L及依据瞬时流速和依据瞬时斜率求取的平均流速值判定条件存储区间M；本实施例可用于能够做延长呼气的人动态PaCO2监测，效果好。
实施例2
参阅图2所示，本发明的另一种利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法的装置，包括与计算机PC连接的二氧化碳分析监测仪1；计算机PC有中心处理器A、存储器DISK和数据存储器Z，二氧化碳分析监测仪1与计算机PC的数据存储器Z连接，数据存储器Z与计算机PC的中心处理器A连接，计算机PC的存储器DISK设有二氧化碳分析监测仪1输入的PCO2/时间数据存储空间N、瞬时斜率计算公式存储空间O、瞬时斜率值存储空间P、瞬时斜率判定条件存储空间Q、瞬时斜率测量点序列号存储空间R、序列号存储空间S、瞬时斜率判定条件存储空间T、瞬时斜率对应的PCO2及其随后四点的平均值计算公式存储空间U、二氧化碳-时间曲线拟合公式存储空间V及时间存储空间W。本实施例适用于不能做延长呼气的人动态PaCO2监测估算，效果好。
实施例3
参阅图3所示，本发明的利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法的装置，包括与计算机PC连接的二氧化碳分析监测仪1；计算机PC有中心处理器A、存储器DISK和数据存储器Z，二氧化碳分析监测仪1与计算机PC的数据存储器Z连接，数据存储器Z与计算机PC的中心处理器A连接，计算机PC的存储器DISK设有二氧化碳分析监测仪1输入的数据存储空间B、峰流速计算软件存储空间E、峰流速存储空间F、瞬时流速判定条件存储空间G、瞬时流速和随后四点的平均流速计算软件存储空间H、依据瞬时流速判定求取的平均流速数值存储空间I、瞬时斜率计算软件存储空间J、瞬时斜率判定条件存储空间K、依据瞬时斜率判定求取的平均流速数值存储空间L、依据瞬时流速和依据瞬时斜率求取的平均流速值判定条件存储区间M和二氧化碳分析监测仪1输入的PCO2/时间数据存储空间N、瞬时斜率计算公式存储空间O、瞬时斜率值存储空间P、瞬时斜率判定条件存储空间Q、瞬时斜率测量点序列号存储空间R、序列号存储空间S、瞬时斜率判定条件存储空间T、瞬时斜率对应的PCO2及其随后四点的平均值计算公式存储空间U、二氧化碳-时间曲线拟合公式存储空间V及时间存储空间W。本实施例是将实施例1和实施例2的两种装置联合起来形成的，既对能够做延长呼气的人，效果好，又能适用于不能做延长呼气的人。
参阅图4所示，本发明的工作过程为，方框2代表开始；方框3代表读入Flow-t数据，即为采集的呼出气体流速；方框4代表求出PEF，即为呼出气体的峰值；方框5代表读入Flow-t数据；方框6代表Flown是否等于(22.25±0.08)％×PEF；方框7代表Vn＝(Datan+Datan+1+Datan+2+Datan+3+Datan+4)/5，即为当前流速及其随后四点平均值；方框8代表PETCO2(flow)＝Vn；方框9代表读入Flow-t数据；方框10代表；Kf＝(Flown-Flown-1)/(tn-tn-1)，即为流速瞬时斜率；方框11代表Kf是否等于0.13±0.19；方框12代表Vn＝(Datan+Datan+1+Datan+2+Datan+3+Datan+4)/5，即为当前流速及其随后四点平均值；方框13代表PETCO2(Kf)＝Vn；方框14代表PETCO2(flow)是否等于(100±5)％×PETCO2(Kf)；方框15代表PETCO2＝(PETCO2(flow)+PETCO2(Kf))/2；方框16代表读入PCO2/t数据，即为二氧化碳压力数据；方框17代表：Kn＝(Vn+50-Vn-1)/(tn+50-tn-1)，即为二氧化碳压力瞬时斜率；方框18代表Kn≥Kn-1，当前序列号为n的瞬时斜率大于序列号为n-1的瞬时斜率；方框19代表n≥500即为测量点序列号；方框20代表Kn≥0.64；方框21代表PETCO2＝V500，序列号为500的瞬时斜率所对应的二氧化碳压力数据及其随后四点的平均值；方框22代表Y＝Fit平滑处理，即为采用公式y＝y0+A1×[1-e(-x/t1)]+A2×[1-e(-x/t2)]进行数据拟合，式中y为PCO2，单位：kPa；A1、t1、A2、t2均为常数，y0为平静呼气末的PCO2；常数A1、t1、A2、t2的具体数据因人而异，其具体数值是根据平静呼气曲线，用y＝y0+A1×[1-e(-x/t1)]+A2×[1-e(-x/t2)]公式取多个点求取而出；方框23代表PETCO2＝Y，即为输入时间x等于5(根据实验数据分析所得)；方框24代表结束。
具体工作时，参阅图1和图4所示，利用二氧化碳分析监测仪1对病人呼出的PCO2进行实时采集，将采集的数据输入计算机PC的存储器DISK的B区间中，即方框2；中心处理器A从存储器DISK的B区间中读取数据，即方框3，通过中心处理器A从存储器DISK的E区间中读入计算模型求出PEF，即方框4，将所求值存于计算机PC的存储器DISK的F区间中，中心处理器A又从存储器DISK的B区间中读取数据，即方框5和存储器DISK的G区间中读取判断条件与存储器DISK的F区间中的值进行比较，即方框6，经中心处理器A处理，如果满足存储器DISK的G区间的判断条件(22.25±0.08)％×PEF，则中心处理器A从存储器DISK的H区间读入公式(Datan+Datan+1+Datan+2+Datan+3+Datan+4)/5，利用存储器DISK的B区间中数据代入上述公式求出Vn，即方框7，将所求值存于计算机PC的存储器DISK的I区间中，即方框8，中心处理器A再次从存储器DISK的B区间中读取数据，即方框9，并将其带入中心处理器A从存储器DISK的J区间中读取瞬时斜率公式(Flown-Flown-1)/(tn-tn-1)中，求出Kf，即方框10，然后中心处理器A将求出的Kf和从存储器DISK的K区间读取判断条件Kf是否等于0.13±0.19进行比较，判断是否满足条件，即方框11，若满足，则中心处理器A利用存储器DISK的H区间中公式进行计算求出相对应的Vn，即方框12，将其存于计算机PC的存储器DISK的L区间中，即方框13，否则继续读数，即返回方框9，然后中心处理器A根据存储器DISK的L区间和存储器DISK的I区间中的值与从存储器DISK的M区间中读入条件进行处理，即方框14，如果满足条件，中心处理器A从存储器读入求平均值的数学模块计算存储器DISK的L区间和存储器DISK的I区间中的值的平均值，即方框15；中心处理器A得出所需结果，即方框24。
参阅图2、图4所示，如果中心处理器A在方框14得出的结果是否定的，中心处理器A重新读入另一特征数据于存储器DISK的N区间中，即方框16，并代入中心处理器A又从存储器DISK的O区间中读入求瞬时斜率公式Kn(Vn+50-Vn-1)/(tn+50-tn-1)中求Kn，即方框17，将其存于计算机的存储器DISK的P区间中，然后中心处理器A根据存储器DISK的P区间中的数据和从存储器DISK的Q区间读取判定条件Kn≥Kn-1进行处理，即方框18，并将个序列号存于存储器DISK的S区间中，若不满足条件，则返回方框18继续读数比较，若满足条件，则中心处理器A依据结合存储器DISK的S区间中的数据和从存储器DISK的R区间中读取判定条件n≥500进行比较，即方框19，若又满足条件，则中心处理器A依据结合存储器DISK的S区间中的数据和从存储器DISK的T区间中读取判定条件K10≥0.64进行比较，即方框20，若同样满足条件，中心处理器A依据结合存储器DISK的N区间中的数据代入从存储器DISK的U区间中读取数学计算公式Vn＝(Datan+Datan+1+Datan+2+Datan+3+Datan+4)/5(其中n为500)求出V500，即方框21，如上述条件有一个不满足，则中心处理器A从存储器DISK的V区间读入拟合公式y＝y0+A1×[1-e(-x/t1)]+A2×[1-e(-x/t2)]进行处理，即方框22，经中心处理器A从存储器DISK的W区间中读取时间T处理，即方框23，然后中心处理器A得出所需结果，即方框24。
实验例
一、目的
1.分析COPD病人和正常人各自的CO2/时间曲线特点，探讨采用平静呼气法和延长呼气法两种方法测定PETCO2与PaCO2的关系。
2.通过拟合平静呼气法和延长呼气法两种方法实时记录的二氧化碳/时间图形，建立曲线的数学模型，探讨平静呼气和延长呼气二氧化碳曲线的相似性及其与PaCO2的关系。
3.探讨通过呼气相流速-时间曲线及其微分后得到的反应瞬间流速变化的流速斜率-时间曲线的特点来测定PETCO2。
二、研究对象
实验组：2001年2月慢性阻塞性肺疾病(COPD)诊治规范诊断标准的住院患者23例，其中男19例，女4例，平均年龄64±14.0岁。其中合并II型呼吸衰竭15例。采用红外线吸收法，以主气流方式测定COPD病人平静呼气PETCO2(PETCO2(Q))和延长呼气5秒时的PETCO2(PETCO2(P))，在治疗前及治疗7～8天后分别同时采集PETCO2和PaCO2数据。对两种方法进行比较。
对照组：肺功能正常志愿者24例，男20例，女4例，平均年龄30±4.4岁。
三、研究方法
(一)PETCO2测定患者取坐位，安静休息30分钟，夹鼻自然呼吸，口含咬嘴，咬嘴另一端接NOVAMETRIC(Novametric Co.USA)监测系统，平静呼吸状态下连续测定呼出气PCO2，待患者呼吸平稳后，开始记录数据，然后嘱患者作深呼气，延长呼气时间大于5秒，记录呼气全过程的PCO2，同时采集流速和容量数据。间歇休息3～5分钟后重复测定3次。所有入选病人均可完成和耐受此检测方法。数据经模拟转换后录入电脑中，数据采集频率为100Hz。每次测定前进行CO2定标。用Origin软件(Microcal Co.USA)进行数据分析。PETCO2测定前用10％CO2气体对CO2气体分析仪进行标化。
(二)动脉血气分析
在进行PETCO2测定前取动脉血2ml，用RADIOMETER ABL-520型血气分析仪(丹麦生产)进行PaCO2测定。
(三)统计分析
采用SPSS软件包进行统计分析，比较两种检测方法的差异，采用配对t检验。判断两种方法检测的结果在治疗前后的变化的一致性，用直线相关分析。应用方差分析检验曲线拟合优度及对比两种检测方法与PaCO2的差异。用直线相关分析判断两种呼气方式取相同时间点时瞬时PCO2的一致性。用配对t检验比较Yp-PaCO2(Yp为取PETCO2(P)与PaCO2相等时的平均呼气时间为x值，通过延长呼气二氧化碳分压/时间曲线拟合公式求得的PCO2值)与Yq-PaCO2(Yq为取PETCO2(P)与PaCO2相等时的平均呼气时间为x值，通过平静呼气二氧化碳分压/时间曲线拟合公式求得的PCO2值)的差异。用方差分析比较Yp、Yq和PaCO2三者的差异。用多元回归分析法分析延长呼气法瞬时PETCO2与PaCO2相等时，瞬时PETCO2和流速、口腔压力、容量的相关性，将P＜0.05作为统计学显著性差异界限值。
四、结果
(一)正常志愿者呼出气CO2浓度曲线
参阅图5所示，正常志愿者分别用平静呼吸和延长呼气法测得的CO2浓度与时间的关系曲线。可见平静呼吸时，正常人的呼气末CO2浓度呈现平台。随着呼气时间的延长，CO2浓度略有增加。
(二)COPD患者呼出气CO2浓度曲线
参阅图6所示，COPD合并II型呼吸衰竭病人分别用平静呼吸和延长呼气法测得的CO2浓度与时间的关系曲线。可见，平静呼吸时，呼气末CO2浓度仍在陡直上升，与正常人的呼气末CO2浓度呈现平台的特点有明显的不同。呼气时间的延长，呼出气CO2浓度增加明显，但其上升的坡度逐渐变平。
(三)平静呼气时间和延长呼气时间的比较
1.实验组：平静呼气时间为2.57±0.92秒，延长呼气时间为7.44±3.19秒，平静呼气时间显著短于延长呼气时间，两者有明显差异(P＝0.000)。
2.对照组：平静呼气与延长呼气时间分别为2.11±0.55和11.06±3.94秒，亦有明显差异(P＝0.000)。
(四)平静呼气与延长呼气法测得的PETCO2的比较
PETCO2(P)为延长呼气第5秒的PETCO2值，PETCO2(Q)为平静呼气末的PETCO2值。
1.实验组：治疗前PaCO2为7.88±2.07kPa，PETCO2(P)为7.86±1.96kPa，两者数据接近，无统计学显著性差异(P＝0.45)，参阅图7所示。用直线相关分析，呈高度相关(r＝0.95，P＜0.05)，参阅图8所示。而PETCO2(Q)为6.79±1.78kPa，显著低于PaCO2(P＝0.000)。治疗后结果类似，见表1。
2.对照组：PaCO2为5.09±0.57kPa，PETCO2(Q)为5.23±0.74kPa，两者无统计学显著性差异(P＝0.08)。而PETCO2(P)为5.76±0.92kPa，高于PaCO2(P＝0.000)。
表1COPD病人治疗前后平静PETCO2、延长5秒PETCO2和PaCO2比较(单位：kPa)
状态 PETCO2(Q)  PETCO2(P)   PaCO2   PaCO2-PETCO2(Q)  PaCO2-PETCO2(P)
治疗前治疗后  6.79±1.786.14±1.34   7.86±1.967.64±1.71   7.88±2.077.57±1.80   1.09±0.861.42±1.11  0.02±0.63-0.07±1.09
注：(1)治疗前：平静呼气PETCO2和PaCO2比较P＝0.000，有显著差异；
延长呼气PETCO2和PaCO2比较P＝0.45，无显著差异；
PaCO2-PETCO2(Q)和PaCO2-PETCO2(P)比较P＝0.000，有显著异；
(2)治疗后：平静呼气PETCO2和PaCO2比较P＝0.000，有显著差异；
延长呼气PETCO2和PaCO2比较P＝0.38，无显著差异；
PaCO2-PETCO2(Q)和PaCO2-PETCO2(P)比较P＝0.000，有显著差异；
(五)PETCO2(P)和PETCO2(Q)与PaCO2的差异的比较
治疗前PETCO2(Q)与PaCO2的差值为1.08±0.86kPa，而PETCO2(P)与PaCO2差值为0.02±0.63kPa，两组差值的比较有显著性差异(P＝0.000)，参阅表1和图9所示。治疗后结果类似。可见，PETCO2(Q)不能反映PaCO2，而PETCO2(P)却能较好地反映PaCO2。
(六)PETCO2(P)和PETCO2(Q)的变异性比较
对每一患者重复测定PETCO2(P)和PETCO2(Q)的结果，计算在同一个体重复测定的变异系数(CV)，治疗前PETCO2(P)和PETCO2(Q)的变异性分别为：5.00±2.58％和5.01±3.49％，结果见表2和图10。两者的变异系数无显著性差异(P＝0.49)，治疗后结果相同。
表2治疗前PETCO2(P)和PETCO2(Q)变异系数的比较
CV(％)例数
PETCO2(P)     PETCO2(Q)
1234567891011121314151617181920212223  3.150.007.481.772.347.932.535.586.383.315.7210.037.394.765.205.263.946.330.375.345.974.889.24     0.620.007.375.292.593.221.471.1410.367.420.824.719.635.437.1410.112.532.395.034.1012.856.144.94
X±SD* 5.00±2.58     5.01±3.49
*两组均值比较P＞0.05
(七)PaCO2与PETCO2(P)动态变化的关系所有病人经7～8天治疗后，同步复查PaCO2和PETCO2(P)的结果见表3。用直线相关分析显示，两者显著相关(r＝0.79，P＜0.000)，参阅图11所示。
表3治疗前后PaCO2和PETCO2(P)的变化(单位：kPa)
例数   治疗前后PaCO2变化 治疗前后PETCO2(P)变化
12     0.550.61 -0.09-0.46
    34567891011121314151617181920212223   2.080.950.2-0.41-3.110.951.82-1.06-0.35-0.65-0.030.07-0.713.130.131.320.431.99-0.830.52-0.45   0.720.781.09-0.34-1.960.951.77-0.15-0.71-0.471.88-0.53-1.182.47-10.830.421.380.130.18-0.62
    X±SD*   0.31±1.29   0.22±1.08
*治疗前后PaCO2和PETCO2(P)的变化显著相关(r＝0.79，P＜0.000)
(八)二氧化碳分压/时间曲线的拟合延长呼气二氧化碳分压/时间曲线可用公式y＝y0+A1×[1-e(-x/t1)]+A2×[1-e(-x/t2)]拟合。x为时间(单位：秒)；y为PCO2(单位：kPa)；A1、t1、A2、t2均为常数。同一病人用延长呼气二氧化碳分压/时间曲线拟合公式拟合平静呼气二氧化碳分压/时间曲线，用拟合优度检验，两者基本一致(P＝1.00±0.00)，即延长呼气法的二氧化碳分压/时间曲线和平静呼气法的二氧化碳分压/时间曲线高度相关，参阅图12所示。
(九)从时间方面分析二氧化碳分压/时间曲线从呼气开始到PETCO2(P)与PaCO2相等时的平均呼气时间为4.11±2.39秒，根据呼气时间，从平静呼气二氧化碳-时间拟合曲线公式求得Yq为7.57±1.86kPa，延长呼气二氧化碳-时间曲线得Yp为7.56±1.87kPa，与PaCO2(7.35±1.92kPa)比较，在统计学上三者均无显著差异(P＞0.05)，Yp和Yq呈显著相关(r＝0.985，P＝0.00)，参阅表4、图13所示。
表4Yp，Yq和PaCO2的比较(单位：kPa)
项目  Yp Yq PaCO2  PETCO2(p)-PaCO2  PETCO2(Q)-PaCO2
时间4.11秒 7.56±1.87* 7.57±1.86* 7.35±1.92 0.21±0.77*** 0.22±0.78
斜率0.64 7.06±2.05** 7.14±2.08** 7.35±1.92 -0.29±0.77*** -0.21±0.78
注：*Yp、Yq和PaCO2比较F＝0.297，P＝0.744＞0.05，无显著差异；
**Yq、Yp和PaCO2比较F＝0.382，P＝0.683＞0.05，无显著差异；
***PaCO2-PETCO2(p)和PaCO2-PETCO2(Q)比较P＞0.05，无显著差异；
(十)二氧化碳分压/时间曲线的瞬间斜率呼气开始到PETCO2(P)与PaCO2相等时的平均斜率为0.64±0.66，根据平均斜率，从平静呼气二氧化碳-时间拟合曲线公式求得Yq为7.14±2.08kPa，从延长呼气二氧化碳/时间曲线得Yp为7.06±2.05kPa，与PaCO2(7.35±1.92kPa)比较，在统计学上三者均无显著差异(P＞0.05)，Yq和Yp呈显著相关(r＝0.987，P＝0.00)，参阅表4、图14所示。
(十一)95％可信区间PETCO2(P)与PaCO2相等时的平均呼气时间为4.11±2.39秒时，Yq和Yp的95％可信区间分别为7.13～8.01和7.11～8.01；PETCO2(P)与PaCO2相等时的平均斜率为0.64±0.66时，Yq和Yp的95％可信区间分别为5.06-9.22和5.01-9.11，见表5。
表5Yp，Yq和PaCO2的95％可信区间
项目     Yp   Yq   PaCO2
时间4.11秒 7.56±0.45 7.57±0.44 7.35±0.45
斜率0.64 7.06±0.48 7.14±0.49 7.35±0.45
(十二)Yp和Yq与PaCO2的差异的比较
1.平均呼气时间为4.11±2.39秒时，(Yp-PaCO2)和(Yq-PaCO2)差值分别为0.21±0.77kPa和0.22±0.78kPa，两者无显著差异(P＞0.05)，见表1。
2.二氧化碳分压/时间曲线的平均斜率为0.64±0.66时，(Yp-PaCO2)和(Yq-PaCO2)差值分别为-0.29±0.77kPa和-0.21±0.78kPa，两者无显著差异(P＞0.05)，可见Yp和Yq一样能较好地反映PaCO2，见表4。
(十三)从呼出气Flow/时间曲线和PCO2/时间曲线得出检测结果参阅图15所示，在呼出气Flow/时间曲线上找到流速下降到峰流速(PEF)的(22.25±0.08)％的时间，然后在相应的PCO2/时间曲线时间点上得到PETCO2。
(十四)从流速斜率/时间曲线和PCO2/时间曲线得出检测结果参阅图15所示，通过呼出气Flow-时间曲线进行微分，可得到反应瞬间流量变化的流速斜率/时间曲线，在呼出气流速斜率/时间曲线上找到流速斜率下降到0.13±0.19的时间，然后在相应的PCO2/时间曲线时间点上得到PETCO2。
实验证明：在正常人，呼出气CO2曲线可分为三部分：第一部分是吸气末解剖死腔(包括检测仪器的机械死腔)内的气体，不含的CO2，组成呼出气初期二氧化碳分压(PaCO2)接近0的部分；第二部分是死腔与肺泡气的混和气体，此时PaCO2急剧上升，形成陡直升高的斜坡；第三部分是肺泡CO2，其变化甚小，PCO2形成平段，正常人基本与PaCO2相重合。慢性阻塞性肺病(COPD)患者第三部分PCO2不形成平段。根据这个规律，经实验发现被测者延长呼气4至5秒钟时，其呼出的气体经二氧化碳分析监测仪1，在显示屏上出现二氧化碳含量曲线，正常人与II型呼吸衰竭的COPD病人有明显的区别；正常人呼出的气体经二氧化碳分析监测仪1，在显示屏上出现二氧化碳含量曲线斜率接近零，呈与基线平行的平台状，而II型呼吸衰竭的COPD病人的曲线则继续呈上升状态，故以此作为诊断是否II型呼吸衰竭的COPD病人的标准。所谓“延长呼气4至5秒钟”是指在正常呼吸而进入呼气的一刻，指令被测者尽力地呼气4至5秒钟。在二氧化碳分析监测仪1中，用软件，例如：Origin软件(Microcal Co.USA)进行平静呼气和延长呼气5秒时的二氧化碳分压/时间曲线拟合，建立曲线的数学模型；平静呼气法和延长呼气法测定二氧化碳/时间曲线均可用公式y＝y0+A1×[1-e(-x/t1)]+A2×[1-e(-x/t2)]拟合，x为时间(单位；秒)；y为PCO2(单位：kPa)；A1、t1、A2、t2均为常数。建立曲线的数学模型，用Origin软件，以公式y＝y0+A1×[1-e(-x/t1)]+A2×[1-e(-x/t2)]进行平静呼气和延长呼气5秒时的二氧化碳/时间曲线拟合，通过对70例COPD病人的呼出气CO2/时间曲线分析发现：延长呼气二氧化碳/时间曲线可用公式y＝y0+A1×[1-e(-x/t1)]+A2×[1-e(-x/t2)]拟合；同一病人用延长呼气和平静呼气用拟合公式拟合的二氧化碳分压/时间曲线，用拟合优度检验，两者基本一致(P＝1.00±0.00)，即延长呼气法的二氧化碳分压/时间曲线和平静呼气法的二氧化碳分压/时间曲线高度相关。
从呼气开始到PETCO2(P)与PaCO2相等时的平均呼气时间、斜率由平静呼气二氧化碳分压/时间曲线外推所得的PCO2数值均与实测PaCO2无显著差异，可见通过对二氧化碳分压/时间曲线拟合分析，COPD病人中，平静呼气与延长呼气法测定PETCO2一样，可较准确地预测PaCO2。

Claims (6)

1.一种利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法，其特征在于包括下述步骤：(1)利用二氧化碳分析监测仪对呼气流速、时间和二氧化碳分压PCO2进行实时采集，并输入计算机；(2)计算机对输入的数据进行处理，并分别记录流速/时间曲线、PCO2/时间曲线、峰流速和流速/时间曲线的瞬时斜率；(3)当瞬时流速为峰流速的(22.25±0.08)％或流速/时间曲线的瞬时斜率为0.13±0.19时，(a)该瞬时流速所对应的CO2分压和该瞬时斜率所对应的CO2分压相差在±5％范围内时，瞬时流速所对应的CO2分压和瞬时斜率所对应的CO2分压的平均值，即基本与动脉血CO2分压相同；(b)该瞬时流速所对应的CO2分压和该瞬时斜率所对应的CO2分压相差超过±5％范围内时，则对CO2分压/时间曲线进行数学模型拟合，估算出相应的动脉血CO2分压。
2.根据权利要求1所上述的方法，其特征在于，步骤(1)可采用平静呼气或者延长呼气法。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)(b)中所述的PCO2/时间曲线拟合公式为：y＝y0+A1×[1-e(-x/t1)]+A2×[1-e(-x/t2)]，拟合时间x为5秒，式中y为PCO2，单位：kPa；A1、t1、A2、t2均为常数，y0为平静呼气末的PCO2。
4.一种实现权利要求1所述利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法的装置，包括与计算机(PC)连接的二氧化碳分析监测仪(1)；计算机(PC)有中心处理器(A)、存储器(DISK)和数据存储器(Z)，二氧化碳分析监测仪(1)与计算机(PC)的数据存储器(Z)连接，数据存储器(Z)与计算机(PC)的中心处理器(A)连接，其特征在于：所述计算机(PC)的存储器(DISK)设有二氧化碳分析监测仪(1)输入的数据存储空间B、峰流速计算软件存储空间E、峰流速存储空间F、瞬时流速判定条件存储空间G、瞬时流速和随后四点的平均流速计算软件存储空间H、依据瞬时流速判定求取的平均流速数值存储空间I、瞬时斜率计算软件存储空间J、瞬时斜率判定条件存储空间K、依据瞬时斜率判定求取的平均流速数值存储空间L及依据瞬时流速和依据瞬时斜率求取的平均流速值判定条件存储区间M。
5.一种实现权利要求1所述利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法的装置，包括与计算机(PC)连接的二氧化碳分析监测仪(1)；计算机(PC)有中心处理器(A)、存储器(DISK)和数据存储器(Z)，二氧化碳分析监测仪(1)与计算机(PC)的数据存储器(Z)连接，数据存储器(Z)与计算机(PC)的中心处理器(A)连接，其特征在于：所述计算机(PC)的存储器(DISK)设有二氧化碳分析监测仪(1)输入的PCO2/时间数据存储空间N、瞬时斜率计算公式存储空间O、瞬时斜率值存储空间P、瞬时斜率判定条件存储空间Q、瞬时斜率测量点序列号存储空间R、序列号存储空间S、瞬时斜率判定条件存储空间T、瞬时斜率对应的PCO2及其随后四点的平均值计算公式存储空间U、二氧化碳/时间曲线拟合公式存储空间V及时间存储空间W。
6.一种实现权利要求1所述利用呼出气体CO2分压监测估算动脉血CO2分压的方法的装置，包括与计算机(PC)连接的二氧化碳分析监测仪(1)；计算机(PC)有中心处理器(A)、存储器(DISK)和数据存储器(Z)，二氧化碳分析监测仪(1)与计算机(PC)的数据存储器(Z)连接，数据存储器(Z)与计算机(PC)的中心处理器(A)连接，其特征在于：所述计算机(PC)的存储器(DISK)设有二氧化碳分析监测仪(1)输入的数据存储空间B、峰流速计算软件存储空间E、峰流速存储空间F、瞬时流速判定条件存储空间G、瞬时流速和随后四点的平均流速计算软件存储空间H、依据瞬时流速判定求取的平均流速数值存储空间I、瞬时斜率计算软件存储空间J、瞬时斜率判定条件存储空间K、依据瞬时斜率判定求取的平均流速数值存储空间L、依据瞬时流速和依据瞬时斜率求取的平均流速值判定条件存储区间M和二氧化碳分析监测仪(1)输入的PCO2/时间数据存储空间N、瞬时斜率计算公式存储空间O、瞬时斜率值存储空间P、瞬时斜率判定条件存储空间Q、瞬时斜率测量点序列号存储空间R、序列号存储空间S、瞬时斜率判定条件存储空间T、瞬时斜率对应的PCO2及其随后四点的平均值计算公式存储空间U、二氧化碳/时间曲线拟合公式存储空间V及时间存储空间W。
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